Dans les systèmes de fermions appariés, la superfluidité de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) et la condensation de Bose-Einstein (BEC) sont deux limites extrêmes de l'état fondamental. Dans un nouveau rapport en Science , Yuji Nakagawa et une équipe de scientifiques en physique appliquée, électronique quantique, la science de la matière émergente et la recherche sur les matériaux au Japon, a signalé un comportement de croisement de la limite BCS à la limite BEC en faisant varier la densité de porteurs dans un supraconducteur 2D dopé aux électrons, matériau en couches ZrNCl contenant du nitrure en couches intercalé. L'équipe a montré comment le rapport de la température de transition supraconductrice et de la température de Fermi dans la limite de faible densité de porteurs était cohérent avec la limite supérieure théorique attendue dans le régime de croisement BCS-BEC. Les résultats ont indiqué comment le semi-conducteur dopé par grille a fourni une plate-forme idéale pour le croisement 2D BCS-BEC sans complexités supplémentaires comme celles notées dans d'autres systèmes à semi-conducteurs.

Le croisement BCS-BEC

Le phénomène d'appariement de fermions, et la condensation sont fondamentales pour une variété de systèmes, y compris les étoiles à neurones, les supraconducteurs et les gaz atomiques ultrafroids. Deux cas limites pour la condensation de fermions sont décrits par deux théories distinctes connues sous le nom de théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) pour laquelle le physicien John Bardeen et al. reçu le prix Nobel en 1972, et la condensation de Bose-Einstein (BEC) développée par les physiciens Satyendra Nath Bose et Albert Einstein en 1924. La théorie BCS détaille la superfluidité dans la limite de couplage faible ou de haute densité où les fermions individuels se condensent directement en un état cohérent de paires de fermions - un type de condensation typiquement observé dans la supraconductivité des électrons. Ce dernier s'est souvent produit lors du couplage fort, limite de faible densité. En premier, les paires de fermions se comportent comme des bosons puis elles subissent le BEC jusqu'à l'état superfluide dans un phénomène observé dans les gaz fermioniques. Les deux limites sont connectées en continu à travers un régime intermédiaire connu sous le nom de croisement BCS-BEC.

Les physiciens utilisent des gaz atomiques ultrafroids et des supraconducteurs comme paramètres expérimentaux favorables pour observer le croisement BCS-BEC en contrôlant la force de couplage entre les fermions constitutifs d'une manière quasi-continue. Dans les gaz atomiques ultrafroids, la force de couplage peut être fortement modulée en utilisant des résonances de Feshbach balayant le régime de croisement à partir de la limite BEC. Les chercheurs peuvent contrôler la densité de porteurs et la force de couplage pour entrer dans le régime de croisement à partir de la limite BCS dans les supraconducteurs. Dans les supraconducteurs, la force de couplage sans dimension peut être déterminée en utilisant l'espace supraconducteur et l'énergie de Fermi mesurée à partir du bas de la bande de conduction. À mesure que le rapport entre l'espace supraconducteur et l'énergie de Fermi augmentait via des interactions d'appariement améliorées ou une densité de porteurs réduite, le système est entré dans le régime de croisement BCS-BEC, accompagné de rapports améliorés de température critique supraconductrice et de température de Fermi. Par exemple, le niobium (Nb) et l'aluminium (Al) résident profondément dans la limite BCS, tandis que des supraconducteurs plus exotiques, y compris des semi-conducteurs à base de fer, sont situés à proximité du régime de croisement BCS-BEC. Les forces de couplage ne sont cependant pas assez élevées pour atteindre la limite BEC au-delà du régime de croisement en raison d'activités complexes telles qu'une faible densité de porteurs, de forts effets de corrélation électronique et d'ordre magnétique qui obscurcissent les phénomènes. Par conséquent, les physiciens restent à démontrer clairement le croisement BCS-BEC lors de l'étude des supraconducteurs. Dans ce travail, Nakagawa et al. étudié le supraconducteur Li X ZrNCl – un nitrure en couches intercalé de lithium pour comprendre les phénomènes.

Enquêter sur le supraconducteur

Dans le Li X supraconducteur ZrNCl, le lithium a fourni des électrons à la double couche en nid d'abeille de ZrN, qui formait une bande isolante en l'absence de dopage. Les chercheurs avaient déjà effectué des mesures monocristallines de ZrNCl vierge à l'aide de méthodes de déclenchement ionique. Dans des travaux récents, Nakagawa et al. a introduit une structure de dispositif modifiée et a noté un croisement dimensionnel des supraconducteurs tridimensionnels anisotropes (3D) aux supraconducteurs 2D en diminuant la densité de porteurs. Dans ce travail, l'équipe a détaillé le comportement de supraconductivité de Li X ZrNCl dans un régime de densité de porteurs encore plus faible. Les scientifiques ont utilisé une structure de dispositif à déclenchement ionique et préparé des électrodes étroites pour la spectroscopie tunnel sur la région du canal entre les électrodes de source et de drain et ont recouvert le dispositif d'une résine poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA). Pendant la tension de grille (V g ) applications, l'équipe a retracé le processus d'intercalation grâce à la mesure du courant source-drain. La transition résistive dans le régime fortement dopé a été brutale, alors qu'il s'est considérablement élargi dans le régime légèrement dopé pour représenter un croisement dimensionnel des supraconducteurs 3D anisotropes aux supraconducteurs 2D.

Le croisement dimensionnel

Le croisement dimensionnel 3D à 2D du supraconducteur s'est produit en raison de la densité de porteurs réduite pour former donc un phénomène unique et inattendu pour permettre le croisement. L'équipe a attribué cette caractéristique à l'empilement rhomboédrique de couches de ZrNCl, où l'unité contenait trois couches. En utilisant les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, ils ont confirmé les résultats expérimentaux. Pendant le processus de refroidissement, les scientifiques ont effectué une spectroscopie tunnel, où la densité de porteurs décroissante correspondait à un couplage plus fort. Nakagawa et al. ont également discuté des états de pseudo-gap dans plusieurs matériaux et les ont comparés avec le système actuel. Le Li X Le matériau ZrNCl offrait un banc d'essai plus simple puisque sa bande isolante était exempte d'effets de corrélation électronique, ordres magnétiques et ondes de densité. L'équipe a crédité le pseudo état d'écart observé dans Li X ZrNCl à la formation de paires préformées au cours du phénomène de croisement BCS-BEC. Ils ont ensuite mis en évidence une étude de masse, où mesures RMN sur Li polycristallin X Les échantillons de ZrNCl ont montré un état de pseudogap sur le côté à dopage élevé du dôme supraconducteur.

De cette façon, Yuji Nakagawa et ses collègues ont montré un croisement 2D BCS-BEC en réglant systématiquement la force de couplage des supraconducteurs dans Li X Échantillons ZrNCl. L'équipe a réalisé le croisement BCS-BEC 2D en raison du croisement dimensionnel de la 3D anisotrope à la 2D en réduisant la densité de porteurs des échantillons. Ils ont comparé ce croisement à des réseaux de nuages ​​2D de gaz de Fermi, dans lequel trop la dimensionnalité était affectée par la force de couplage. Des études supplémentaires sur le phénomène contribueront à faire progresser la compréhension de la physique de la condensation des fermions.

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